文化遗产的四维可视化方法技术

本发明专利技术提供了一种文化遗产的四维可视化方法，包括确定文化遗产表面颜色变化的原因；获得表面颜色随时间变化的规则，包括在实验室模拟相应文物表面颜色的变色过程，建立对应时间与样本色度值之间的定量关系，从而建立样本颜色与时间的函数关系，得到色彩变化的时间模型；获得文物数字三维模型；纹理影像的获取与匀色匀光处理，包括利用相机获得当前时段的文物的图像作为后期彩色三维模型的纹理图像；使用纹理映射生成彩色三维模型；加入时间维生成文物四维模型，包括设置时间轴来设定时间，根据色彩变化的时间模型计算生成设定时间的时空纹理，绘制设定时间的彩色三维模型，通过显示多个确定时间点的彩色三维模型，从而形成四维的可视化效果。

Four-dimensional visualization method of cultural heritage

The present invention provides a method of four-dimensional visualization of cultural heritage, including cultural heritage determines the cause of surface color change; surface color changes with time rules, including the simulation process of the corresponding surface color discoloration artifacts in the laboratory, to establish the quantitative relationship between the corresponding time and sample chroma value, so as to establish the function relationship between the sample color and time the time model of color change; the 3D model of digital cultural relics; obtaining and dodging uniform color image processing, including image texture image using the camera to obtain the current time of the cultural relics as color 3D model of the latter; the use of texture mapping to generate 3D color model; adding time of living into cultural relics four-dimensional model, including setting time to set the time, according to the color change model of the time to calculate the space-time setting time Texture, draw the color 3D model of setting time, and display the four-dimensional visualization model by displaying the color 3D model of several definite time points.

【技术实现步骤摘要】
文化遗产的四维可视化方法
本专利技术涉及文化遗产数字化保护
，尤其涉及用于文化遗产高精度数字化重建及展示文化遗产的色彩变化与复原效果的四维可视化方法。
技术介绍
实体的四维可视化即实体在时间和空间上的模拟显示，即3D空间+时间，它不仅可以为观察者提供一种空间上的近似真实的视觉体验，还可以展示实体随时间的改变，便于观察者了解实体的整个变化过程，为学习和研究实体在时间和空间上的属性特征及其变化规律提供基础。三维模型是对现实三维世界的简化表达，而时间则是三维模型变化的轴线，是现实世界变化的维度。可视化是运用计算机图形学和图像处理技术将科学计算的结果及过程转换为图形或图像在屏幕上显示并进行交互处理的理论技术和方法。现在有许多可视化工具，如OpenGL、DirectX、Jet3D，其中SGI公司推出的GL三维图形库表现突出，易于使用而且功能强大。文化遗产的四维可视化方法是研究文化遗产(如塑像、壁画、古代建筑等)在时间和空间上的特征及其变化规律的基础。把实体的四维可视化技术引入到文化遗产数字化保护的工作中，能有效的完成文物的复原、展示和预测等工作，为文化遗产的数字化保护工作提供研究和展示的平台。三维激光扫描技术、摄影测量和计算机视觉等技术已经在文化遗产三维数字化中广为使用，多种技术结合的方法得到了大量的3D模型。这些3D模型是当前状态的表征。近年来，4D模型和可视化成为学界研究的关注点，其中，时间维度主要来通过旧的数据，如旧照片、古典绘画、古籍资料等获得。可以通过不同的航空影像进行三维重建获得不同时期的三维模型，从而形成4D模型并可视化；也有对古代绘画、古籍文字资料等材料进行分析获得以往时期的几何模型或颜色模型而实现四维可视化。此外，也有通过建模分析和模拟文化遗产以前的形态，构建四维模型。基于旧数据的4D重建方法依赖于数据本身，因而限制了其适用范围。基于建模分析的方法容易因模型的偏差导致结果的偏差。本专利技术则提出了新的思路，从文化遗产的物理、化学等性质着手，分析其表面颜色发生变化的原因，从而恢复其不同时期的3D状态，形成其沿时间维度变化的效果，并利用可视化技术将这一过程展现出来。
技术实现思路
本专利技术目的在于探寻一种文化遗产数字化保护的方法，解决文化遗产的数字化复原问题，研究物体表面随时间变化的规律，并使用新型的多视角的数字化可视化方法来建立文物的彩色三维模型，为文化遗产的保护与还原提供新的解决方案。本专利技术的技术方案为一种文化遗产的四维可视化方法，包括以下步骤：步骤1、确定文化遗产表面颜色变化的原因；步骤2、获得表面颜色随时间变化的规则，包括在实验室模拟相应文物表面颜色的变色过程，建立对应时间与样本色度值之间的定量关系，从而建立样本颜色与时间的函数关系，得到色彩变化的时间模型；所述模拟相应文物表面颜色的变色过程，包括确定实验室中文物表面颜色的变色时间模型如下，其中，t为实验室中反应进行的时间，R、G、B为对应的文物变色的红、绿、蓝通道颜色值，Fr(t)、Fg(t)、Fb(t)则分别表示红、绿、蓝颜色分量随时间变化的函数；所述建立样本颜色与时间的函数关系，包括将实验室模型转换为真实时间模型，包括根据实验室和自然条件下反应所需时间进行相应的转化和变换，最终确定自然时间下的颜色变换模型；步骤3、获得文物数字三维模型；步骤4、纹理影像的获取与匀色匀光处理，包括利用相机获得当前时段的文物的图像作为后期彩色三维模型的纹理图像，通过匀色匀光算法消除图像因光线、相机设置和环境所带来的色差；步骤5、使用纹理映射生成彩色三维模型，包括采用纹理映射方法将纹理图像映射到三维模型表面，生成彩色三维模型；步骤6、加入时间维生成文物四维模型，包括设置时间轴来设定时间，生成设定时间的时空纹理，绘制设定时间的彩色三维模型，通过显示多个确定时间点的彩色三维模型，从而形成四维的可视化效果；所述生成设定时间的时空纹理，包括根据步骤2中得到的色彩变化的时间模型计算确定时间点的色彩变化，得到确定时间的时空纹理。而且，所述的步骤1中，首先，通过物理表面分析确定雕塑物因物理表面变化导致的变色；其次，通过物质成分分析确定雕塑物的主要颜料组成和物质成分；最后，比较分析雕塑物表面颜色变化前后的差异，确定导致变色的主要物理化学变化的因素。而且，所述的步骤3中的获得文物数字三维模型的方式有，通过摄影测量进行光线交会得到三维立体模型，使用三维激光扫描仪直接获取物体表面点坐标，结合摄影测量同时获取物体表面的纹理。而且，所述的步骤4中纹理影像的匀色匀光采用MASK和Wallis匀光算法实现。而且，所述的步骤5中，首先，将多幅纹理图像映射到物体的三维模型上生成彩色三维模型，然后，对多幅纹理图像相接处进行局部的精细调整，确保整个模型的纹理色彩上光顺、几何上精确。而且，所述的步骤6中通过显示多个确定时间点的彩色三维模型，从而形成四维的可视化效果，包括通过设置时间轴拖动、自动播放动画或变化对比显示文物彩色模型。本专利技术具有如下积极效果：1，本专利技术提出了文化遗产四维可视化的一种工作流程，通过获取三维模型和时间彩色变换，实现了文化遗产在时空维的变化显示，为文化遗产的保护和复原提供新方法。2，本专利技术从表面颜色变化研究文物随时间的变化，通过研究物质的理化性质与表面颜色变化关系得到文物在不同时期的表现形态，为文物的复原和变化预测提供了新的研究思路。3，本专利技术使用高精度激光扫描、摄影测量、纹理匀色和纹理映射等技术建立了精准真实的文物彩色三维模型，为文化遗产的数字化模型建立工作提供了参考。本专利技术的研究受到国家基础研究计划(973项目)No.2012CB725300和武汉大学实验技术项目(WHU-2015-SYJS-04)的支持，关系到我国文物保护和文化遗产事业，具有重要的实用意义。附图说明图1为本专利技术实施例的流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术技术方案进行具体描述。如图1所示，实施例所提供一种文化遗产的四维可视化方法，包括以下步骤：步骤1，确定文化遗产表面颜色变化的原因：通过同步辐射分析、成分分析、物理表面分析和遥感光谱等多种方法确定文化遗产表面颜色变化的原因。实施例中，确定文化遗产表面颜色变化的原因，该步骤主要涉及同步辐射分析、成分分析、物理表面分析和遥感光谱等多种方法确定文化遗产(文物)表面颜色变化的原因。实际操作可综合运用多种方法，如首先，通过物理表面分析确定雕塑物因物理表面变化导致的变色；其次，通过物质成分分析确定雕塑物的主要颜料组成和物质成分；最后，比较分析雕塑物表面颜色变化前后的差异，利用显微观测表面结构、同步辐射、能量散射、光谱分析等方法确定导致变色的主要物理化学变化的因素，为进一步研究变色与时间的关系提供理论依据。具体实施时，可以预先确定文化遗产表面颜色变化的原因，以备文化遗产的四维可视化使用。步骤2，获得表面颜色随时间变化的规则：在实验室模拟相应文物表面颜色的变色过程，建立对应时间与样本色度值之间的定量关系，从而建立样本颜色与时间的函数关系，得到色彩变化的时间模型。实施例中，获得表面颜色随时间变化的规则，该步骤进一步包括以下两步：①在实验室模拟相应表面的变色过程，建立对应时间与样本色度值之间的定量关系，从而建立样本颜色与实验室时间的函数关系。②本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种文化遗产的四维可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定文化遗产表面颜色变化的原因；步骤2、获得表面颜色随时间变化的规则，包括在实验室模拟相应文物表面颜色的变色过程，建立对应时间与样本色度值之间的定量关系，从而建立样本颜色与时间的函数关系，得到色彩变化的时间模型；所述模拟相应文物表面颜色的变色过程，包括确定实验室中文物表面颜色的变色时间模型如下，

【技术特征摘要】
1.一种文化遗产的四维可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定文化遗产表面颜色变化的原因；步骤2、获得表面颜色随时间变化的规则，包括在实验室模拟相应文物表面颜色的变色过程，建立对应时间与样本色度值之间的定量关系，从而建立样本颜色与时间的函数关系，得到色彩变化的时间模型；所述模拟相应文物表面颜色的变色过程，包括确定实验室中文物表面颜色的变色时间模型如下，其中，t为实验室中反应进行的时间，R、G、B为对应的文物变色的红、绿、蓝通道颜色值，Fr(t)、Fg(t)、Fb(t)则分别表示红、绿、蓝颜色分量随时间变化的函数；所述建立样本颜色与时间的函数关系，包括将实验室模型转换为真实时间模型，包括根据实验室和自然条件下反应所需时间进行相应的转化和变换，最终确定自然时间下的颜色变换模型；步骤3、获得文物数字三维模型；步骤4、纹理影像的获取与匀色匀光处理，包括利用相机获得当前时段的文物的图像作为后期彩色三维模型的纹理图像，通过匀色匀光算法消除图像因光线、相机设置和环境所带来的色差；步骤5、使用纹理映射生成彩色三维模型，包括采用纹理映射方法将纹理图像映射到三维模型表面，生成彩色三维模型；步骤6、加入时间维生成文物四维模型，包括设置时间轴来设定时间，生成设定时间的时空纹理，绘制设定时间的彩色三维模型，通过显示多个确定时间点的彩色三维模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾明耀，赵鹏程，王若曦，胡庆武，申力，朱宜萱，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42